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Desde El Gran Colisionador de Hadrones: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind , un relato desde dentro de la historia operativa del LHC y la búsqueda del bosón de Higgs, por Don Lincoln. Publicado por Johns Hopkins University Press. Reproducido con permiso del editor.
El matemático de la era victoriana Augustus de Morgan escribió:
Las pulgas grandes tienen pulgas pequeñas sobre sus espaldas para picar
Y las pulgas pequeñas tienen pulgas menores, y así ad infinitum.
Y las propias pulgas grandes, a su vez, tienen pulgas mayores para seguir,
Mientras que éstas tienen a su vez pulgas mayores, y mayores aún, y así sucesivamente.
Este pasaje tan citado es una parodia de la obra de Jonathan Swift de 1733 On Poetry: A Rhapsody , que fue escrito sobre la poesía. Sin embargo, los científicos han tomado esas líneas como una metáfora del mundo natural. Cuando uno aprende sobre el micromundo, se enfrenta rápidamente a la observación de que toda la materia está hecha de moléculas. Las moléculas están formadas a su vez por átomos, que a su vez están formados por electrones y núcleos atómicos. Los núcleos están formados por protones y neutrones y éstos están compuestos por quarks.
Sin embargo, hasta donde sabemos, los quarks y los electrones son todo. Ese es el final de la línea en cuanto a la estructura. A diferencia del átomo o del protón, que tienen una rica estructura con complejas interacciones entre sus componentes, actualmente se cree que los quarks y los electrones no tienen ninguna estructura interna. Tanto teórica como físicamente, se consideran puntos matemáticos.
Por supuesto, cualquier persona con una pizca de imaginación no puede evitar decir: «Ahora espera un momento. ¿Por qué los propios quarks y leptones no podrían tener una estructura interna?» Pues sólo hay una respuesta posible y es que «podrían». Los quarks y los electrones (y, por extensión, todos los leptones) podrían estar hechos de objetos aún más pequeños. O bien (bastante improbable) podrían ser efectivamente fundamentales (es decir, no tener partes más pequeñas, o sea, sin estructura).
Antes de continuar, consideremos los tamaños involucrados. Todo en el micromundo es pequeño. Una sola molécula es tan pequeña que podrías colocar un millón de ellas una al lado de la otra en un solo milímetro. Son tan pequeñas que no se puede utilizar la luz ordinaria para verlas. Y, sin embargo, esos objetos más pequeños son enormemente grandes: mil millones de veces más grandes que la frontera de la investigación.
Las moléculas se componen de átomos, cuyo tamaño es aproximadamente una décima parte del de las moléculas. La imagen mental de un átomo como un pequeño sistema solar, con el sol como núcleo y los electrones planetarios, es errónea y, sin embargo, no carece de mérito. Destaca el hecho de que un átomo consiste en un espacio mayoritariamente vacío, con los electrones girando frenéticamente lejos de un núcleo pequeño y denso. El radio del núcleo es unas 10.000 veces menor que el del átomo y no ocupa más que una trillonésima parte del volumen.
El núcleo del átomo está formado por protones y neutrones, apretados entre sí. Mi imagen mental del núcleo es una masa de huevos de rana o canicas después de haber sido manipulada por un niño pequeño con los dedos muy pegajosos. Cada protón o neutrón mide entre 10 y 15 metros de ancho, y se necesitarían un trillón colocados de punta a punta para abarcar un solo milímetro. Eso es pequeño.
Los protones y neutrones contienen en su interior quarks y gluones. La forma más sencilla de pensar en un protón es que hay dos quarks up y un quark down atrapados en un campo de fuerza de gluones. Piensa en tres bolas de plástico numeradas en una de esas máquinas de lotería de aire comprimido y tendrás la idea básica.
Pero la imagen mental de los quarks como bolas de plástico tiene un fallo importante. Las bolas no son mucho más pequeñas que una máquina de lotería. Los quarks son pequeños. Tal vez una mejor imagen mental del protón sean tres pequeñas motas de espuma de poliestireno en la misma máquina.
Entonces, ¿qué sabemos del tamaño de los quarks? Antes he dicho que no tienen tamaño, y ciertamente es así como los trata la teoría actual. Sin embargo, como experimentador, me preocupan más las mediciones. Usted, el lector, debe tener curiosidad por saber qué medidas han revelado el tamaño de un quark. Y ahora la respuesta… un redoble de tambores, por favor… no lo han hecho. Esto no significa que no sepamos nada sobre su tamaño. Hemos estudiado esta cuestión bastante a fondo, y sabemos precisamente lo bueno que es nuestro equipo. Si los quarks (y los electrones) fueran más grandes que unas diez mil veces más pequeños que un protón, habríamos visto que tienen un tamaño. En todos nuestros experimentos, nunca hemos visto ni el más mínimo indicio creíble de un tamaño. Por lo tanto, concluimos que, aunque no podemos decir cuál es el tamaño real de un quark o de un electrón, podemos decir con seguridad que, si los quarks tienen tamaño, son más pequeños que una diezmilésima parte del tamaño de un protón.
Si esta idea es difícil de entender, consideremos lo pequeño que es un objeto que puedes ver con tus ojos. Puedes ver fácilmente un grano de arena. Con un esfuerzo muy considerable, puedes ver el más pequeño pedazo de harina en tu alacena. Pero eso es todo. Con el ojo desnudo, no puedes ver nada más pequeño. Por lo tanto, cuando decides mirar un germen con tu ojo, podrías concluir que no tiene tamaño, pero la conclusión estrictamente correcta que deberías sacar es que los gérmenes son más pequeños que una minúscula mota de harina.
Con un equipo mejor, digamos un microscopio potente, uno puede ver que los gérmenes realmente tienen un tamaño medible. Así que una vez que se ha llegado a la limitación de su equipo, simplemente hay que conseguir un microscopio más potente. El microscopio que es el LHC y sus dos detectores primarios observarán el tamaño de los quarks si no son menos de 20 o 30 milésimas del tamaño de un protón… o establecerán un límite que es unas dos o tres veces más pequeño de lo que se piensa actualmente.
Mientras que las observaciones, la intuición y la cancioncilla de Morgan pueden ser suficientes para apoyar una sospecha casual de que otros niveles de la materia pueden ocurrir en tamaños cada vez más pequeños -una nueva capa o conjunto de capas en la cebolla cósmica-, hay también más razones científicas. Por ejemplo, consideremos la tabla periódica. Aunque Mendeléyev pretendía que fuera un esquema organizativo, con la formulación de la teoría del átomo nuclear y la mecánica cuántica en las primeras décadas del siglo XX, quedó claro que la tabla periódica era en realidad la primera indicación de la estructura atómica, medio siglo antes de que comprendiéramos realmente el mensaje de la tabla.
Mientras que la historia contada por la tabla periódica insinuaba claramente la estructura atómica, la historia de la radiación nuclear también sugiere la estructura del núcleo. Por ejemplo, el cesio ( 137 55 Cs, con cincuenta y cinco protones y ochenta y dos neutrones) emite un electrón y se convierte en bario ( 137 56 Ba, con cincuenta y seis protones y ochenta y un neutrones).
Tomemos estos ejemplos históricos y apliquemos el razonamiento al mundo moderno. Somos conscientes de que las lecciones históricas no siempre se aplican. Pero a veces lo hacen.
Nuestra «tabla periódica» de partículas se muestra en la imagen superior. Su organización es diferente a la de la tabla periódica química. En la figura, hay seis tipos de quarks. Los quarks up, charm y top tienen todos carga +⅔ (en un sistema en el que la carga de un protón es +1) y la masa del quark charm supera a la del quark up, que a su vez es superada por el quark top. Del mismo modo, los quarks down, strange y bottom tienen todos carga eléctrica -⅓, aumentando la masa a medida que se avanza hacia la derecha.
En la tabla periódica moderna, las unidades «químicamente similares» son las filas, en contraste con las columnas de la tabla de Mendeleev. Vemos que hay tres «generaciones» o copias de carbono del mismo patrón de quarks y leptones. Esto recuerda mucho a las pistas que nos daba la tabla periódica química en la segunda mitad del siglo XIX.
Hay otra similitud histórica a considerar. Al igual que los distintos núcleos atómicos pueden decaer en otros núcleos, también pueden hacerlo los quarks y los leptones. Un quark top puede decaer en un quark bottom y en un bosón W. Asimismo, el muón puede decaer en un electrón y dos neutrinos. También son posibles otros tipos de desintegración de quarks y leptones. De hecho, todas las partículas de la segunda y tercera generación acaban desintegrándose en las partículas de la primera generación. Una pista crucial es que la única fuerza que puede cambiar un quark o leptón en otro (decimos «cambiar el ‘sabor’ del quark o leptón») es la fuerza débil. Además, específicamente sólo el bosón W cargado eléctricamente puede hacer el trabajo.
No hay ninguna prueba contundente de que la presencia de generaciones de quarks y leptones indique que los quarks y los leptones estén compuestos a su vez por partículas más pequeñas (hasta ahora no descubiertas). Sin embargo, la analogía histórica es poderosamente sugerente y ciertamente merece una mayor atención. El hecho de que, al emitir un bosón W, se pueda cambiar el sabor del quark o del leptón es una pista muy valiosa que está gritando algo importante a los físicos.
Sólo me gustaría tener el ingenio para entender lo que dice.
Sin embargo, incluso sin la idea crucial que abre el enigma de par en par, podemos especular inteligentemente sobre el tema y (mucho más importante) tamizar a través de nuestros montones de datos, buscando pistas adicionales. Como en todas las búsquedas de nuevos fenómenos físicos, hay que hacer una conjetura sobre lo que hay que buscar y luego buscarlo. Entonces, ¿cuáles son las probables firmas experimentales de la estructura de los quarks?
Históricamente, uno de los mejores lugares para buscar han sido las colisiones más violentas. Se chocan dos objetos y se observa cuántas colisiones hay en cada nivel de violencia. Específicamente, miras la cantidad de «violencia lateral». Técnicamente llamamos a esto momento transversal , que significa perpendicular al rayo. Hay razones técnicas para esta elección, pero sobre todo se debe a que hay que golpear algo con fuerza para que se desvíe de su dirección original.
En la actualidad, la mayoría de los físicos adoptan una actitud de «esperar y ver», prefiriendo ver qué pistas nos da el universo. Aun así, se han propuesto nombres para estos objetos más pequeños que los quarks, siendo el más popular el de «preón» (por prequark). Sin embargo, cada físico teórico que ha elaborado una teoría ha inventado su propio nombre: subquarks, maones, alfones, quinks, rishones, tweedles, helones, haplones y partículas Y. A mí me gustan los nombres quinks o tweedles.
¿Cuál será el próximo gran descubrimiento? No tengo ni idea. Puede que sea uno de los temas mencionados aquí. O, lo que es más emocionante, puede ser algo totalmente inesperado; algo que nos llegue de repente. Como se dice, el tiempo lo dirá.